CN109214081B - 一种基于数值模拟的7005铝合金微观组织分析系统及方法 - Google Patents

一种基于数值模拟的7005铝合金微观组织分析系统及方法 Download PDF

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Abstract

一种基于数值模拟的7005铝合金微观组织分析系统及方法，所述系统包括：7005铝合金基础性能获取模块、基础数据寄存模块、基础数据分析模块和ABAQUS软件分析模块，所述7005铝合金基础性能获取模块与基础数据寄存模块相连，所述基础数据寄存模块与基础数据分析模块相连，所述基础数据分析模块与ABAQUS软件分析模块相连。本发明还包括一种基于数值模拟的7005铝合金微观组织分析方法。本发明通过对7005铝合金力学实验获取其基础性能数据的基础上，进而通过建模仿真实际工程环境，通过软件分析进一步分析材料的微观组织，并找到微观组织中的易损区域，并判断易损区域是否会在该工况下失效。

Description

一种基于数值模拟的7005铝合金微观组织分析系统及方法
技术领域
本发明涉及7005铝合金材料在实际工程问题中的应用检测，具体涉及一种基于数值模拟的7005铝合金微观组织分析系统及方法。
背景技术
7005铝合金材料成分含有铝、硅、铁、铜、锰、镁、铬、锌、锆，区别于目前常用的镁铝合金、铝锌合金，其具有高强度、高断裂韧性等优良性能，被广泛应用于航空航天和交通运输等产品中，这些产品的服役工况常见为重载、温度变化剧烈、形变大、挠度大等相对恶劣环境。目前通常采用热电偶和红外技术对7005铝合金材料变形过程中的温度变化进行记录，以此为参考计算该材料在工程实际运用中是否可行，无法测量材料内部和局部的温度变化，而在重载、高应变速率等极端变形工况下，金属的疲劳与失效往往从其内部开始，逐渐扩大，若不分析其材料内部的微观组织，则材料在工程的实际应用中有极大的不稳定性。现阶段，7005铝合金的工程实际应用中采用取安全系数的方法来保证材料在使用中的稳定性，即在材料表面基础性能数据符合工况的条件下增加安全系数，而针对每一个工程实际问题，安全系数的选取不同，工程师计算时往往使用经验值计算，而安全系数取低了会造成安全隐患，取高了会造成材料浪费，因此，研究一套分析7005铝合金材料微观组织，寻找到材料内部易损点的方法亟具意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种基于数值模拟的7005铝合金微观组织分析系统及方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明之基于数值模拟的7005铝合金微观组织分析系统，包括：7005铝合金基础性能获取模块、基础数据寄存模块、基础数据分析模块和ABAQUS软件分析模块，所述7005铝合金基础性能获取模块与基础数据寄存模块相连，所述基础数据寄存模块与基础数据分析模块相连，所述基础数据分析模块与ABAQUS软件分析模块相连；
所述7005铝合金基础性能获取模块能够进行7005铝合金材料的静态压缩、高速冲击、测量材料在实验中的变化获取其应力-应变数据；
所述基础数据寄存模块用于存储、转换、传输，将7005铝合金应力-应变数据转换成应力-应变曲线，对修正的应力-应变曲线进行二次编程耦合加工；
所述基础数据分析模块用于分析应力与应变、应力与温升的数据是否合理，并过滤不合理数值，考虑温升等因素，输出修正的应力-应变曲线；
所述ABAQUS软件分析模块通过修正的应力-应变曲线与7005铝合金实际工况建模分析材料内部微观组织，得到应力云图、应变云图、温度云图，查找其内部易失效部位，并分析易损区域是否在该工况下会屈服。
进一步，所述7005铝合金基础性能获取模块包括高速冲击单元、静态压缩单元、应变测量单元、温度测量单元；
所述高速冲击单元能够对7005铝合金材料进行高速冲击，并记录每次的冲击力；
所述静态压缩单元能够对7005铝合金材料进行静态压缩，并记录每次的压缩力；
所述应变测量单元能够对7005铝合金材料进行外观应变的测量；
所述温度测量单元能够对7005铝合金材料进行温度变化的测量。
进一步，所述基础数据寄存模块包括曲线转换单元和二次编程耦合单元；
所述曲线转换单元能对7005铝合金基础性能获取模块输出的应力-应变数据进行转换成为应力-应变曲线；
所述二次编程耦合单元将修正的应力-应变曲线转换成适合ABAQUS软件分析模块的数据格式。
进一步，所述基础数据分析模块包括7005铝合金材料自属性存储单元、数据计算单元、数据对比单元、温升计算单元、滤波单元和结果输出单元；
所述7005铝合金材料自属性存储单元存储有7005铝合金材料的弹性模量、密度、泊松比、屈服极限等参数；
所述数据计算单元将对每一组对应数据判断每组计算数据的对应的弹性模量、密度、泊松比、屈服极限等参数；
所述数据对比单元设置一定容差，判断是否符合上述7005铝合金材料自属性存储单元数据；
所述数据对比单元将是否合乎自属性数据的结果输送至结果输出单元；
所述温升计算单元计算材料在高速冲击过程中的温升，计算温升对应力的影响；
所述滤波单元对原应力-应变曲线进行偏差滤波，形成较精确、平滑的曲线图，得到修正的应力-应变曲线；
所述结果输出单元对数据对比单元不通过的数据反馈至实验员，实验重新开始；
所述结果输出单元对数据对比单元通过的数据，将其曲线图传输至基础数据寄存模块。
进一步，所述ABAQUS软件分析模块能够在实验员操作下对7005铝合金的实际工况进行建模；
所述ABAQUS软件分析模块能够结合材料应力-应变曲线与建模数据分析得到7005铝合金在该工况下的应力云图；
所述ABAQUS软件分析模块能够结合材料应力-应变曲线与建模数据分析得到7005铝合金在该工况下的温度云图；
所述ABAQUS软件分析模块能够结合材料应力-应变曲线与建模数据分析得到7005铝合金在该工况下的应变云图；
所述ABAQUS软件分析模块能够标记7005铝合金材料在该工况下材料内部易失效区域。
一种利用所述系统实施的基于数值模拟的7005铝合金微观组织分析方法，包括以下步骤：
S1：在7005铝合金基础性能获取模块上，通过实验获取7005铝合金材料外表面点的参数数据；
S2：通过基础数据寄存模块，将步骤S1所得数据转化为曲线；
S3：通过基础数据分析模块，验证步骤S2所得曲线合理性，计算温升材料应变的影响，获得改进的曲线；
S4：通过数据寄存模块，将步骤S3所得曲线二次耦合；
S5：通过ABAQUS软件分析模块建模模拟实际工况，结合材料整体应力-应变曲线对7005铝合金微观组织分析，通过该工况下的应力云图找到材料内部易损区域并分析在该工况下易损区域是否会产生失效。
本发明之基于数值模拟的7005铝合金微观组织分析方法，7005铝合金基础性能获取模块通过反复高速冲击获得材料整体应力-应变关系数据；以上数据通过基础数据寄存模块存储、传输至基础数据分析模块；基础数据分析模块对该数据进行滤波分析，过滤实验偏差，输出修正后的应力-应变曲线，对不符合7005铝合金基本性能参数的实验数据报告实验员，实验将重新开始；数据寄存模块再将该曲线输入ABAQUS软件分析模块，通过ABAQUS软件建模模拟实际工况，结合材料整体应力-应变曲线对7005铝合金微观组织分析，通过该工况下的应力云图找到材料内部易损区域并分析在该工况下易损区域是否会产生失效。
本发明能够通过对7005铝合金的外部点的参数量测，结合温升带来的形变，通过ABAQUS软件分析输出7005铝合金整体应变云图，进而分析材料微观组织。
本发明通过对7005铝合金力学实验获取其基础性能数据的基础上，进而通过建模仿真实际工程环境，通过软件分析进一步分析材料的微观组织，并找到微观组织中的易损区域，并判断易损区域是否会在该工况下失效。
附图说明
图1 为本发明一种基于数值模拟的7005铝合金微观组织分析系统的结构框图；
图2 为本发明一种基于数值模拟的7005铝合金微观组织分析系统中7005铝合金基础性能获取模块输出示意图；
图3 为本发明一种基于数值模拟的7005铝合金微观组织分析系统中基础数据分析模块输入、输出示意图；
图4 为本发明一种基于数值模拟的7005铝合金微观组织分析方法的流程图；
图5 为本发明一种基于数值模拟的7005铝合金微观组织分析方法一实施例7005铝合金的工况模拟的实验示意图；
图6 为本发明一种基于数值模拟的7005铝合金微观组织分析方法一实施例7005铝合金的应力-应变曲线；
图7为本发明一种基于数值模拟的7005铝合金微观组织分析方法一实施例7005铝合金样品工况模拟的应力云图(其颜色越深代表应力越大)；
图8 为本发明一种基于数值模拟的7005铝合金微观组织分析方法一实施例7005铝合金样品工况模拟的温度云图（其颜色越深代表温度越高）；
图9 为本发明一种基于数值模拟的7005铝合金微观组织分析方法一实施例7005铝合金样品工况模拟的应变云图（其颜色越深代表应变越大）；
图10 为本发明一种基于数值模拟的7005铝合金微观组织分析方法一实施例7005铝合金样品工况模拟前易失效区域截面电子显微镜下微观组织图；
图11 为本发明一种基于数值模拟的7005铝合金微观组织分析方法一实施例7005铝合金样品工况模拟后易失效区域截面电子显微镜下微观组织图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1-图3，一种基于数值模拟的7005铝合金微观组织分析系统，包括：7005铝合金基础性能获取模块1、基础数据寄存模块2、基础数据分析模块3和ABAQUS软件分析模块4，所述7005铝合金基础性能获取模块1与基础数据寄存模块2相连，所述基础数据寄存模块2与基础数据分析模块3相连，所述基础数据分析模块3与ABAQUS软件分析模块4相连；
所述7005铝合金基础性能获取模块1能够进行7005铝合金材料的静态压缩、高速冲击、测量材料在实验中的变化获取其应力-应变数据P1；
所述基础数据寄存模块2用于存储、转换、传输，将7005铝合金应力-应变数据P1转换成应力-应变曲线P2，对修正的应力-应变曲线P3进行二次编程耦合加工；
所述基础数据分析模块3用于分析应力与应变、应力与温升的数据是否合理，并过滤不合理数值，考虑温升等因素，输出修正的应力-应变曲线P3；
所述ABAQUS软件分析模块4通过修正的应力-应变曲线P3与7005铝合金实际工况建模分析材料内部微观组织，得到应力-应变云图P4，查找其内部易失效部位，并分析易损区域是否在该工况下会屈服。
所述7005铝合金基础性能获取模块1包括高速冲击单元11、静态压缩单元12、应变测量单元13、温度测量单元14；
所述高速冲击单元11能够对7005铝合金材料进行高速冲击，并记录每次的冲击力；
所述静态压缩单元12能够对7005铝合金材料进行静态压缩，并记录每次的压缩力；
所述应变测量单元13能够对7005铝合金材料进行外观应变的测量；
所述温度测量单元能够对7005铝合金材料进行温度变化的测量。
所述基础数据寄存模块2包括曲线转换单元21和二次编程耦合单元22；
所述曲线转换单元21能对7005铝合金基础性能获取模块输出的应力-应变数据P1进行转换成为应力-应变曲线P2；
所述二次编程耦合单元22将修正的应力-应变曲线P3转换成适合ABAQUS软件分析模块的数据格式。
所述基础数据分析模块3包括7005铝合金材料自属性存储单元31、数据计算单元32、数据对比单元33、温升计算单元34、滤波单元35和结果输出单元36；
所述7005铝合金材料自属性存储单元31存储有7005铝合金材料的弹性模量、密度、泊松比、屈服极限等参数；
所述数据计算单元32将对每一组对应数据判断每组计算数据的对应的弹性模量、密度、泊松比、屈服极限等参数；
所述数据对比单元33设置一定容差，判断是否符合上述7005铝合金材料自属性存储单元数据；
所述数据对比单元33将是否合乎自属性数据的结果输送至结果输出单元36；
所述温升计算单元34计算材料在高速冲击过程中的温升，计算温升对应力的影响；计算方程为：
式中： A-材料的屈服应力； B-材料应变硬化参数； n-材料的硬化指数； C-应变速率因子； m-热软化因子； T * =(T-T r )/(T m -T r )， T-实际温度+样品温升， T r -参考温度， T m -材料熔点；
所述滤波单元35对原应力-应变曲线进行偏差滤波，代入温升带来的应力影响，形成较精确、平滑的曲线图，得到修正的应力-应变曲线P3；
所述结果输出单元36对数据对比单元不通过的数据反馈至实验员，实验重新开始；
所述结果输出单元36对数据对比单元通过的数据，将其曲线图传输至基础数据寄存模块2。
所述ABAQUS软件分析模块4能够在实验员操作下对7005铝合金的实际工况进行建模；
所述ABAQUS软件分析模块能够结合材料应力-应变曲线与建模数据分析得到7005铝合金在该工况下的应力云图P4；
所述ABAQUS软件分析模块能够结合材料应力-应变曲线与建模数据分析得到7005铝合金在该工况下的温度云图P5；
所述ABAQUS软件分析模块能够结合材料应力-应变曲线与建模数据分析得到7005铝合金在该工况下的应变云图P6；
所述ABAQUS软件分析模块能够标记7005铝合金材料在该工况下材料内部易失效区域A1。
参照图4，一种利用所述系统实施的基于数值模拟的7005铝合金微观组织分析方法，包括以下步骤：
S1：在7005铝合金基础性能获取模块上，通过实验获取7005铝合金材料外表面点的参数数据；
S2：通过基础数据寄存模块，将步骤S1所得数据转化为曲线；
S3：通过基础数据分析模块，验证步骤S2所得曲线合理性，计算温升材料应变的影响，获得改进的曲线；
S4：通过数据寄存模块，将步骤S3所得曲线二次耦合；
S5：通过ABAQUS软件分析模块建模模拟实际工况，结合材料整体应力-应变曲线对7005铝合金微观组织分析，通过该工况下的应力云图找到材料内部易损区域并分析在该工况下易损区域是否会产生失效。
参照图5，试样放在入射杆和透射杆之间。利用该设备的数据采集系统记录入射、反射和透射的应变-时间曲线。在均匀性假设的基础上，根据一维应力波理论利用等式（2）-（4）可以计算出每次冲击的应力、应变量、应变速率。
 式中：
L是试样的初始长度（可测量）；是波的传播速度； A和 A S分别是压杆和试样的横截面积； E是两个压杆材料的杨氏模量。
本实施例采用圆柱形7005铝合金试样进行实验，图5为高速冲击单元11实验示意图；
所述高速冲击单元11选用速度为v对试样进行高速撞击；v小于等于20米/秒；
所述圆柱形7005铝合金试样表面安装应变测量单元13；
所述圆柱形7005铝合金试样表面安装温度测量单元14；
选取圆柱形7005铝合金试样表面上点1进行应力、应变、温度变化的数据测量；
选取圆柱形7005铝合金试样表面上点2进行应力、应变、温度变化的数据测量；
如图6所示，所示曲线1-P2是所述点1在经7005铝合金基础性能获取模块1处理过后，由所述曲线转换单元21能对所述7005铝合金基础性能获取模块1输出的应力-应变数据进行转换成为的应力-应变曲线；
如图6所示，所示曲线1-P3是曲线1-P2经由基础数据分析模块3分析后得到的修正的应力-应变曲线；
如图6所示，所示曲线2-P2是所述点2在经7005铝合金基础性能获取模块1处理过后，由所述曲线转换单元21能对所述7005铝合金基础性能获取模块1输出的应力-应变数据进行转换成为的应力-应变曲线；
如图6所示，所示曲线2-P3是曲线2-P2经由基础数据分析模块3分析后得到的修正的应力-应变曲线；
将上述曲线经由基础数据寄存模块2进行二次编程耦合后，通过ABAQUS软件分析模块4对圆柱形7005铝合金试样进行建模分析，得到应力云图P4(其颜色越深代表应力越大)；
将上述曲线经由基础数据寄存模块2进行二次编程耦合后，通过ABAQUS软件分析模块4对圆柱形7005铝合金试样进行建模分析，得到温度云图P5(其颜色越深代表温度越高)；
将上述曲线经由基础数据寄存模块2进行二次编程耦合后，通过ABAQUS软件分析模块4对圆柱形7005铝合金试样进行建模分析，得到应变云图P6(其颜色越深代表应变越大)；
将上述曲线经由基础数据寄存模块2进行二次编程耦合后，通过ABAQUS软件分析模块4对圆柱形7005铝合金试样进行建模分析，分析应变云图P6得到易失效区域A1；
如图10、图11所示，为验证本方法的正确性，将模拟结果的易失效区域取截面在电子显微镜下进行微观金相组织观察，判断此区域是否为应变最大区域。

Claims (6)

1.一种基于数值模拟的7005铝合金微观组织分析系统，其特征在于，包括：7005铝合金基础性能获取模块、基础数据寄存模块、基础数据分析模块和ABAQUS软件分析模块，所述7005铝合金基础性能获取模块与基础数据寄存模块相连，所述基础数据寄存模块与基础数据分析模块相连，所述基础数据分析模块与ABAQUS软件分析模块相连；
所述7005铝合金基础性能获取模块能够进行7005铝合金材料的静态压缩、高速冲击、测量材料在实验中的变化获取其应力-应变数据；
所述基础数据寄存模块用于存储、转换、传输，将7005铝合金应力-应变数据转换成应力-应变曲线，对修正的应力-应变曲线进行二次编程耦合加工；
所述基础数据分析模块用于分析应力与应变、应力与温升的数据是否合理，并过滤不合理数值，考虑温升因素，输出修正的应力-应变曲线；
所述ABAQUS软件分析模块通过修正的应力-应变曲线与7005铝合金实际工况建模分析材料内部微观组织，得到应力云图、应变云图、温度云图，查找其内部易失效部位，并分析易损区域是否在该工况下会屈服。
2.根据权利要求1所述的基于数值模拟的7005铝合金微观组织分析系统，其特征在于，所述7005铝合金基础性能获取模块包括高速冲击单元、静态压缩单元、应变测量单元、温度测量单元；
所述高速冲击单元能够对7005铝合金材料进行高速冲击，并记录每次的冲击力；
所述静态压缩单元能够对7005铝合金材料进行静态压缩，并记录每次的压缩力；
所述应变测量单元能够对7005铝合金材料进行外观应变的测量；
所述温度测量单元能够对7005铝合金材料进行温度变化的测量。
3.根据权利要求1或2所述的基于数值模拟的7005铝合金微观组织分析系统，其特征在于，所述基础数据寄存模块包括曲线转换单元和二次编程耦合单元；
所述曲线转换单元能对7005铝合金基础性能获取模块输出的应力-应变数据进行转换成为应力-应变曲线；
所述二次编程耦合单元将修正的应力-应变曲线转换成适合ABAQUS软件分析模块的数据格式。
4.根据权利要求1或2所述的基于数值模拟的7005铝合金微观组织分析系统，其特征在于，所述基础数据分析模块包括7005铝合金材料自属性存储单元、数据计算单元、数据对比单元、温升计算单元、滤波单元和结果输出单元；
所述7005铝合金材料自属性存储单元存储有7005铝合金材料的弹性模量、密度、泊松比、屈服极限参数；
所述数据计算单元将对每一组对应数据判断每组计算数据的对应的弹性模量、密度、泊松比、屈服极限参数；
所述数据对比单元设置一定容差，判断是否符合上述7005铝合金材料自属性存储单元数据；
所述数据对比单元将是否合乎自属性数据的结果输送至结果输出单元；
所述温升计算单元计算材料在高速冲击过程中的温升，计算温升对应力的影响；
所述滤波单元对原应力-应变曲线进行偏差滤波，形成较精确、平滑的曲线图，得到修正的应力-应变曲线；
所述结果输出单元对数据对比单元不通过的数据反馈至实验员，实验重新开始；
所述结果输出单元对数据对比单元通过的数据，将其曲线图传输至基础数据寄存模块。
5.根据权利要求1或2所述的基于数值模拟的7005铝合金微观组织分析系统，其特征在于，所述ABAQUS软件分析模块能够在实验员操作下对7005铝合金的实际工况进行建模；
所述ABAQUS软件分析模块能够结合材料应力-应变曲线与建模数据分析得到7005铝合金在该工况下的应力云图；
所述ABAQUS软件分析模块能够结合材料应力-应变曲线与建模数据分析得到7005铝合金在该工况下的温度云图；
所述ABAQUS软件分析模块能够结合材料应力-应变曲线与建模数据分析得到7005铝合金在该工况下的应变云图；
所述ABAQUS软件分析模块能够标记7005铝合金材料在该工况下材料内部易失效区域。
6.一种利用权利要求1所述系统实施的基于数值模拟的7005铝合金微观组织分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在7005铝合金基础性能获取模块上，通过实验获取7005铝合金材料外表面点的参数数据；
S2：通过基础数据寄存模块，将步骤S1所得数据转化为曲线；
S3：通过基础数据分析模块，验证步骤S2所得曲线合理性，计算温升材料应变的影响，获得改进的曲线；
S4：通过数据寄存模块，将步骤S3所得曲线二次耦合；
S5：通过ABAQUS软件分析模块建模模拟实际工况，结合材料整体应力-应变曲线对7005铝合金微观组织分析，通过该工况下的应力云图找到材料内部易损区域并分析在该工况下易损区域是否会产生失效。
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